考虑流固耦合效应的波浪作用下桥墩动力响应分析

摘要

随着经济建设的不断深入，对交通条件提出了更高的要求，各种海上结构物得到了迅速地发展，尤其是跨海大桥的建设，随时承受着波浪、海冰、海流、风、潮汐、地震等不确定因素的影响，这些影响因素直接关系到海洋结构物的安全使用。水与桥墩的相互作用问题是典型的流固耦合振动问题，波浪荷载与桥墩的相互作用问题也是一个较为复杂的问题，这些不同形式的海上结构物经常遭受到较大波浪的冲击作用，因此研究流固耦合情况下波浪对近海结构物的冲击动力响应作用变得非常必要与紧迫，具有重要的实际应用价值。
　　本文在了解国内外研究状况的情况下，查阅了大量的专业理论资料，做了考虑流固耦合效应时波浪对桥墩的动力响应分析的研究。因此，本文的研究以ANSYS12.0有限元软件为平台，以经典波浪理论及国内外研究成果为基础，通过ANSYS12.0-CFX特有的CEL语言环境编写自定义程序来模拟数值波浪，开展了以下几个方面的研究工作:
　　1.分析三维波浪与桥墩的相互作用问题，首先要解决三维波浪的数值模拟问题，文中采用了基于VOF算法的边界造波法进行了三维波浪的模拟，在数值波浪水槽入射边界上给定波浪型式流速和波高等波浪特征参数值，成功地实现了三维数值造波，为开展波浪与桥梁墩柱的作用提供了条件。
　　2.研究了考虑流固耦合情况下波浪对桥墩的动力响应分析，结合ANSYS12.0和CFX有限元软件对双向流固耦合进行了数值模拟，针对两种不同截面形式的墩柱分别模拟，将数值结果与规范比较后，较为吻合，验证了此数值模拟方法研究三维波浪和桥梁墩柱流固耦合作用具有可行性。
　　3.在三维数值造波及双向流固耦合研究的基础上，分别做了迎浪面耦合模型、背浪面耦合模型以及整体耦合模型的仿真分析，对迎浪面模型和背浪面模型结果进行叠加，并将叠加后的结果与整体耦合模型的计算结果对比，即叠加耦合与整体耦合的对比。分析表明，迎浪面耦合模型和背浪面耦合模型两者的叠加结果与整体耦合模型结果极为相近，可以用叠加耦合来代替整体耦合，因此计算桥墩墩柱整体耦合时，建议分别计算其几部分的耦合，再加以叠加，可以大大减小单次计算量及计算时间，提高资源的优化配置。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 波浪与结构物作用数学模型发展现状

1．2．1 势流理论

1．2．2 不可压缩粘性流体理论

1．2．3 波浪作用下桩柱动力响应研究现状

1．2．4 流固耦合非线性问题研究现状

1．3 本文研究的主要内容及方法

第二章 波浪三维数值模型

2．1 边界造波法原理

2．2 数学模型

2．2．1 波浪运动控制方程

2．2．2 数值造波计算方法

2．3 波浪三维数值水槽的建立和验证

2．3．1 造波模型的建立

2．3．2 边界条件和初始条件

2．3．3 数值造波二次开发

2．3．4 波浪三维数值水槽的验证

2．4 本章小结

第三章 三维波浪与桥梁墩柱流固耦合的数值实现

3．1 流固耦合动力学特点

3．2 流固耦合基本理论及数值模拟

3．2．1 流固耦合动力学的基本方程及边界条件

3．2．2 流固耦合的有限元方程

3．3 双向流固耦合实现原理

3．3．1 双向流固耦合的基本方式

3．3．2 双向流固耦合的基本方法

3．4 Motison方程概述

3．4．1 Morison方程及其应用

3．4．2 拖曳力系数Cd和惯性力系数Cm的确定

3．4．3 实际工程采用的Cd和Cm值

3．4．4 对Morison方程的评价

3．5 三维波浪与桥梁桩柱的流固耦合作用

3．5．1 流固耦合模型的建立

3．5．2 三维波浪与圆柱作用的数值模拟

3．5．3 三维波浪与方柱作用的数值模拟

3．5．4 拖曳力系数Cd的模拟分析

3．6 本章小结

第四章 三维波浪作用下墩柱流固耦合分析

4．1 波浪概述

4．2 墩柱整体模型耦合分析

4．3 墩柱迎浪面模型与背浪面模型耦合分析

4．3．1 单独考虑迎浪面模型耦合分析

4．3．2 单独考虑背浪面模型耦合分析

4．3．3 迎浪面模型与背浪面模型叠加耦合分析

4．4 墩柱叠加耦合与整体耦合对比分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果